Linux 内核 IO 调度层
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Linux内核IO调度层
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Linux 内核 IO 调度层
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目 录
1 概述 ........................................................................................................................... 4
2 请求和请求队列 ......................................................................................................... 5
2.1 请求队列request_queue ...................................................................................... 6
2.2 请求 ................................................................................................................... 10
2.2.1 数据结构request .......................................................................................... 10
2.2.2 请求标志 ...................................................................................................... 13
2.3 调度器操作方法 ................................................................................................. 14
3 I/O调度器 ................................................................................................................. 15
3.1 I/O调度器的工作 ................................................................................................ 16
3.2 调度算法 ............................................................................................................ 16
3.2.1 CFQ调度器 .................................................................................................. 16
3.2.2 Deadline调度器 ............................................................................................ 17
3.2.3 I/O调度器的选择 .......................................................................................... 20
4 发送请求到I/O调度器 ............................................................................................... 20
4.1 __make_request（） ......................................................................................... 20
4.2 __elv_add_request
（） ..................................................................................... 24
4.3 __blk_run_queue（） ........................................................................................ 27
4.4 驱动服务例程request_fn .................................................................................... 28
4.5 请求队列的由来 ................................................................................................. 29
4.5.1 块设备请求队列的创建 ................................................................................. 29
4.5.2 块设备请求队列的获取 ................................................................................. 31
5 plug与unplug设备 .................................................................................................... 31
5.1 blk_plug_device（）与blk_remove_plug（） .................................................... 32
5.2 generic_unplug_device（）............................................................................... 33
6 块设备请求队列拥塞的处理 ..................................................................................... 34
7 常见问题 .................................................................................................................. 36
7.1 SSD经过I/O调度层吗？ ..................................................................................... 36
7.2 I/O请求放到块设备请求队列上后，是否立即被执行呢？ ................................... 37
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图目录
图1 内核中块设备操作流程 ......................................................................................................... 4
图2 请求和请求队列 .................................................................................................................. 12
图3 NVMe SSD驱动架构 ........................................................................................................... 37
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1 概述
我们仍以块设备操作流程开始，分析内核块设备操作中的过程。在块设备上的操作，涉
及内核中的多个组成部分，如图1所示。假设一个进程使用系统调用read（）读取磁盘上的
文件。下面步骤是内核响应进程读请求的步骤；
图1 内核中块设备操作流程
（1）系统调用read（）会触发相应的VFS（Virtual Filesystem Switch）函数，传递的参数
有文件描述符和文件偏移量。
（2）VFS确定请求的数据是否已经在内存缓冲区中；若数据不在内存中，确定如何执行读
操作。
Virtual Filesystem (VFS) Layer
Generic Block Layer
Disk
Filesystem
Buffer Cache (Page
I/O Scheduler Layer
Block Device Driver
Block Device Driver
Hard
Disk
Disk
Filesystem
SSD
Direct IO
Request Queue
… …
Request Queue
Kernel Space
Storage Media
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（3）假设内核必须从块设备上读取数据，这样内核就必须确定数据在物理设备上的位置。
这由映射层（Mapping Layer）来完成。
（4）内核通过通用块设备层（Generic Block Layer）在 块 设备上执行读操作，启动I/O操作，
传输请求的数据。
（5）在通用块设备层之下是I/O调度层（I/O Scheduler Layer），根据内核的调度策略，
对等待的I/O等待队列排序。
（6）最后，块设备驱动（Block Device Driver）通过向磁盘控制器发送相应的命令，执行
真正的数据传输。
对于（1）、（2）两个步骤，在《Linux虚拟文件系统》中，我们讨论了VFS（Virtual Filesystem
Switch）主要数据结构和操作，结合相关系统调用（如sys_read（）、sys_write（）等）
的源码，我们不难理解VFS层相关的操作和实现。而对于第（3）步中的Mapping Layer主
要由具体的文件系统完成。
在《Linux通用块设备层》中，我们分析了第（4）步。上层的I/O请求发送到通用块设
备层（Generic Block Layer）后，就会将请求继续传送到I/O调度层（I/O Scheduler Layer）。
本文以2.6.32-279内核源码为基础，分析图1中的第5步，即I/O调度层。首先分析请求
队列（request queue）、请求（request）描述符；然后着重介绍两个个I/O调度算法；最
后分析内核中相关源码。
2 请求和请求队列
尽管块设备驱动可以一次传输一个扇区（sector），但块I/O层并不会对一个扇区执行
一次独立的I/O操作，因为在磁盘定位一个扇区的位置，是很耗时的工作，这会导致磁盘性
能的下降。取而代之的是，内核尽可能聚集多个扇区，作为一次操作，这样就减少磁头的移
动操作。
当内核读或写磁盘数据时，它就创建一个块设备请求（block device request），该请
求主要描述请求的扇区、操作的类型（读还是写）。然而，当请求创建后，内核并不是立即
执行请求，而是I/O操作仅是调度，且在稍后的时间才真正执行I/O操作。这种延迟是提高块
